古代樸素的微積分思維,通過計算圓形面積公式可以探知

2020-12-03 隱士申子源

從漢代的數學家劉微和祖衝之等人引用《周髀算經》的內容以及標註的內容來看。

至少《周髀算經》是在漢代往前的數學著作,這點是沒有異議的。

我們今天要講的這本古代著作,流傳更加廣泛,自從漢朝起,歷代的科學大V,數學大V,天文學大V,必修之課,

它就是《九章算術》,其作者已不可考。一般認為它是經歷代各家的增補修訂,而逐漸成為現今定本的,西漢的張蒼、耿壽昌曾經做過增補和整理,其時大體已成定本。最後成書最遲在東漢前期,現今流傳的大多是在三國時期魏元帝景元四年(263年),劉徽為《九章》所作的注本。

甚至,唐朝的李淳風也給此書做詳細批註,對,就是那個寫了一本預言網紅教材《推背圖》的作者之一,李淳風的另外一本經典著作《乙巳佔》採用了大量的算法來自《九章算術》,不是突然感覺到很親切,感情這些歷史大V都是用九章算術中的算法在推算未來,我們小學都讀了,好不好。

你確定讀的是李淳風的同款《九章算術》?

《九章算術》是中國古代第一部數學專著,是《算經十書》中最重要的一種,成於公元一世紀左右。該書內容十分豐富,系統總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。同時,《九章算術》在數學上還有其獨到的成就,不僅最早提到分數問題,也首先記錄了盈不足等問題,《方程》章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運算法則。它是一本綜合性的歷史著作,是當時世界上最簡練有效的應用數學,它的出現標誌中國古代數學形成了完整的體系。

我們現在不是在糾結這本偉大的數學著作到底是什麼年代成書的,我們好奇的是其中的內容,負數,求乘方根什麼的,都是小意思了,但是,居然有微積分的知識在裡面。

有沒有搞錯?大寫加粗!

我們先上一段原文吧,然後詳細說,請看上圖,敲黑板:

這段話,文言文不好的人,估計還是看不懂,我們翻譯一下,對一個圓形來說,周長的一半和半徑的乘積,等於這個圓的面積。

圓周的一半X半徑=圓的面積。

好像有什麼不對吧?

我們學習的圓的面積公式是什麼來著,π什麼啥的。好好回憶一下。

對頭,就是這個公式。

那麼問題就來了,你知道π是怎麼來的,你能夠用數學原理推出π值來嗎?

如果沒有π值,是不是就不會算了啊?

別著急,古代的數學家也是採用了很多辦法。

漢朝,注意,是漢朝的牛人劉微,發現圓內接正多邊形的面積與圓面積都有一個差,用有限次數的分割、拼補,是無法證明《九章算術》的圓面積公式的。因此劉徽大膽地將極限思想和無窮小分割引入了數學證明。

他從圓內接正六邊形開始割圓,「割之彌細,所失彌少,割之又割,以至不可割,則與圓周合體,而無所失矣。」也就是說將圓內接正多邊形的邊數不斷加倍,則它們與圓面積的差就越來越小,而當邊數不能再加的時候,圓內接正多邊形的面積的極限就是圓面積。劉徽考察了內接多邊形的面積,也就是它的「冪」,同時提出了「差冪」的概念。「差冪」 是後一次與前一次割圓的差值,可以用圖中陰影部分三角形的面積來表示。同時,它與兩個小黃三角形的面積和相等。劉徽指出,在用圓內接正多邊形逼近圓面積的過程中,圓半徑在正多邊形與圓之間有一段餘徑。以餘徑乘正多邊形的邊長,即2倍的「差冪」,加到這個正多邊形上,其面積則大於圓面積。這是圓面積的一個上界序列。劉徽認為,當圓內接正多邊形與圓是合體的極限狀態時,「則表無餘徑。表無餘徑,則冪不外出矣。」就是說,餘徑消失了,餘徑的長方形也就不存在了。因而,圓面積的這個上界序列的極限也是圓面積。於是內外兩側序列都趨向於同一數值,即,圓面積。

割圓術,簡單來說就是不斷的增加圓內接正多邊形的邊數,不斷的割割割,到了最後內接多邊形的面積就非常接近圓形面積了。

據說,祖衝之在研究割圓術過程中,搞出來一個幾萬條邊的多邊形。

如果,一個中學生,在給一個圓做內接多邊形,一直整出來一個一萬個邊的多邊形,同時,不斷的計算每次新割增加邊數的多邊形與上一次的多邊形的差值,不斷的計算。

他到這個時候,還發現不了無窮小的概念,還有無窮逼近的概念,只能說天資太差,當然劉微,祖衝之,都是高智商的人。(下圖是一張啟發思維的圖,與本文關係不大,註明)

他們發現了無限逼近的概念,大家應該不覺得意外吧。

那麼,問題就來了。這個無限逼近的值怎麼算?看下圖:

首先,要說明一個問題,圓內接,內接圓,古人早就知道了,在本文開頭的那本《周髀算經》把圓方的關係弄的清清楚楚的。

祖傳之的內外逼近法思路,如下圖:(不是太好標註數量,當做大家看懂了)

在則,算矩形面積,三角形面積這些事情,早就會了,別他們當原始人。

在上面這個圓形圖之中,所畫的三角形面積有:

這沒有問題,關鍵的時刻就要到來,祖衝之老先生,剛剛才用割圓術割出來幾萬條邊。

同時發現了無限逼近的趨勢,

為什麼說古代掌握了微積分了呢?

因為在計算圓周的過程中π其實就是一個帶誤差的中間值。

而真正起到精確效果的是:直徑和圓周。

而且,《九章算術》一開始就告訴大家這個結論:半周半徑相乘得積步。

讓劉微,祖衝之這些數學家忙了半天。

微積分算面積的根本思維,就是在求極限值。

掌握了極限值的本質的數學家,掌握微積分真不是問題。

《素問·陰陽離合論》有曰:「陰陽者,數之可十,推之可百,數之可千,推之可萬,萬之大不可勝數,然其要一也。」

真的不要以為,中國人不懂微積分,漢朝就掌握了。只不過表述方式不一樣而已。

常識性知識:從微積分成為一門學科來說,是在17世紀,但是積分的思想早在古代就已經產生了。

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